CN105698754A - 基于变电站沉降测量的光纤光栅传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于变电站沉降测量的光纤光栅传感器，由一根具有楔形表面的钢棒和一个等腰悬臂梁构成，光纤布拉格光栅分别粘贴在悬臂梁上。传感器滑动壳固定在变电站的设备上，斜面钢棒固定到基准平面上，作为位移参考点。钢棒与滑动壳会根据沉降状况发生相对位移，位移量通过钢棒楔形表面和顶珠的作用转换成悬臂梁的弹性形变，传递到悬臂梁光栅来检测应变变化量大小。通过该光纤沉降传感器可以准确地将沉降位移量转换为作用在光纤布拉格光栅上的应力，进一步转换为光纤中传输的光学参量，最后对传输光谱的解得到准确的沉降位移量。提高工作人员的工作效率，实时获取大量的沉降数据，监测的时间短，不受恶劣环境影响，准确度得到极大提高。

Description

基于变电站沉降测量的光纤光栅传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤光栅传感器，特别涉及一种基于变电站沉降测量的光纤光栅传感器。

背景技术

变电站是电网的重要组成部分，它在电力系统中起变换电压、接受和分配电能、控制电力的流向和调整电压的作用。变电站内的建筑物是保障电网安全的电力基础设施，由于变电站大多建设在偏远的地区，那里的地质条件和气候条件经常会引起变电站的地基沉降。变电站基础建筑物在施工期间以及后期运营期间的安全问题日益突出。目前，对变电站地基沉降的监测方法主要是采用水准监测法。这种方法是通过人工定期巡视检查安装在现场沉降监测点的沉降桩头，利用精密水准仪观测各个沉降观测点与基准点之间的变化来判断地基沉降量。但是由于这种监测方法的工作量极其繁重，而测得的数据量相反却较少，监测的耗时较长，且容易受到环境因素的影响，使得判断的准确性不佳。

光纤传感器是基于光纤独特的光学特性和传感特性来探测工程中各种物理参量。它相对于传统方法具有更高的灵敏度，不易受电磁干扰，绝缘性好，耐腐蚀，工作寿命长，集物理参量信息的获取与传输一体，以及结构简单、体积小、重量轻、耗电少等优点。可以用于测量应变、温度、压力、位移等物理参量。

现有技术主要的沉降监测方法有:简单目测法,沉降计算法,变形转换法。现有的沉降测量装置直接测量固定杆标记与沉降建筑之间的相对位移大小，从而获得地基沉降值的方法。在水下抛石堆载地基处理过程中，固定杆有可能被堆载物撞击而发生形变，会直接影响到测量结果的准确性。而且这种监测方法工作量极其繁重，而测得的数据量相反却较少，监测的耗时较长，且容易受到环境因素的影响，使得测量的准确性不佳。

发明内容

本发明是针对沉降监测方法存在的问题，提出了一种基于变电站沉降测量的光纤光栅传感器，用于变电站沉降位移的实时准确的测量；当发生沉降时，在顶珠作用力下的等强度滑块发生大小相等的位移变化，从而带动刚性粘贴在等强度悬臂梁上表面的光纤布拉格光栅受到拉伸（压缩），使布拉格波长发生漂移。光纤光栅沉降传感器测量是基于被测量变化引起的光栅周期和有效折射率的变化，从而导致光栅特征波长的变化，通过测量特征波长的漂移量来测量沉降量，不受环境的影响。

本发明的技术方案为：一种基于变电站沉降测量的光纤光栅传感器，包括悬臂梁、滑动壳、顶珠、具有楔形表面的斜面钢棒和聚合物片式封装光纤光栅，滑动壳一侧上下固定有中间带滑块的套筒和固定块，滑动壳的套筒和固定块同高度，矩形悬梁臂与滑动壳的套筒和固定块相连接并固定，顶珠一部分嵌在套筒内顶着滑块；聚合物片式封装光纤光栅粘贴在矩形悬臂梁上，滑动壳固定在变电站的建筑设备上，与变电站的建筑设备的沉降动作保持完全的一致；斜面钢棒竖直固定到基准平面上，作为位移参考点；聚合物片式封装光纤光栅与斜面钢棒均处于竖直状态，顶珠与斜面钢棒斜面相切，顶珠随着建筑设备的上下移动受到斜面钢棒水平方向的压力，通过套筒内滑块将顶珠上的力作用在悬臂梁上，使贴在悬臂梁上的聚合物片式封装光纤光栅发生应变。

所述聚合物片式封装光纤光栅的结构包括光纤布拉格光栅、复合材料、保护管和传输光缆，光纤布拉格光栅竖直封装在碳纤维复合材料中，光纤布拉格光栅一端与传输光缆连接，连接处有保护管，保护管使光栅在固化时免受封装材料边缘应力集中的影响。

本发明的有益效果在于：本发明基于变电站沉降测量的光纤光栅传感器，使用光纤布拉格光栅传感器对变电站内的建筑物地基、变电站主设备的地基进行沉降检测和监测。将变电站基础沉降位移表征为相对于参考点的下层位移，然后将变电站基础沉降位移转换成应力后施加到光纤布拉格光栅上，从而使其布拉格波长受到应变调制，进而对变电站的基础沉降位移量进行实时在线测量。所以本发明可以极大地提高工作人员的工作效率，实时获取大量的沉降数据，监测的时间短，不受恶劣环境影响，准确度得到极大提高。

附图说明

图1为本发明基于变电站沉降测量的光纤光栅传感器机械结构示意图；

图2为本发明聚合物片式封装光纤光栅的结构示意图。

具体实施方式

一种基于变电站沉降测量的光纤光栅传感器，所述光纤传感器包括机械结构和聚合物片式封装光纤光栅结构。

如图1、2所示机械结构示意图和聚合物片式封装光纤光栅的结构示意图，机械结构部分主要包括悬臂梁1、滑动壳3、顶珠4和具有楔形表面的斜面钢棒5，滑动壳3上一侧上下有中间带滑块的套筒9和固定块10，滑动壳3的套筒9和固定块10同高度，矩形悬梁臂1与滑动壳3的套筒9和固定块10相连接并固定，顶珠4一部分嵌在套筒9内顶着滑块。聚合物片式封装光纤光栅的结构包括光纤布拉格光栅2、复合材料6、保护管7和传输光缆8。光纤布拉格光栅2竖直封装在碳纤维复合材料6中，光纤布拉格光栅2一端与传输光缆8连接，连接处有保护管7，保护管7使光栅在固化时免受封装材料边缘应力集中的影响。

聚合物片式封装光纤光栅粘贴在矩形悬臂梁1上，悬梁臂可选材质为7075的铝合金，厚度为1.2mm，传感器滑动壳3固定在变电站的建筑设备上，与变电站的建筑设备的沉降动作保持完全的一致。斜面钢棒5竖直固定到基准平面上，作为位移参考点。光纤布拉格光栅2与斜面钢棒5均处于竖直状态，顶珠4与斜面钢棒5斜面相切，顶珠4随着建筑设备的上下移动受到斜面钢棒5水平方向的压力，悬臂梁1上下，一端固定块10固定不能动，另一端通过套筒9内滑块将顶珠4上的力作用在悬臂梁1上，使贴在悬臂梁上的光纤布拉格光栅2发生应变。通过滑动壳3与斜面钢棒5的相对位移，位移量通过钢棒5楔形表面和顶珠4的作用转换成滑块的微量位移。光纤布拉格光栅2受到滑块的作用产生应变，由于滑块移动的距离比较小，可以近似认为光纤布拉格光栅2的应变变化量大小相等。以碳纤维复合材料6封装的光纤布拉格光栅2，碳纤维复合材料6以均匀的包裹在裸光纤光栅的外层，这种封装结构能够很好的保护光纤布拉格光栅2并形成光纤智能传感层。碳纤维复合材料主要作用是传递应变和保护光栅，传输光缆8主要用于对传感器采集的信号实时进行传输。

本发明所设计的光纤光栅沉降传感器，其使用过程为：基础沉降位移量->通过钢棒楔形表面和顶珠的作用力->等强度滑块发生微量位移变化->布拉格波长发生漂移->检测波长漂移量->根据测量模型获得沉降量。

Claims (2)

1.一种基于变电站沉降测量的光纤光栅传感器，其特征在于，包括悬臂梁、滑动壳、顶珠、具有楔形表面的斜面钢棒和聚合物片式封装光纤光栅，滑动壳一侧上下固定有中间带滑块的套筒和固定块，滑动壳的套筒和固定块同高度，矩形悬梁臂与滑动壳的套筒和固定块相连接并固定，顶珠一部分嵌在套筒内顶着滑块；聚合物片式封装光纤光栅粘贴在矩形悬臂梁上，滑动壳固定在变电站的建筑设备上，与变电站的建筑设备的沉降动作保持完全的一致；斜面钢棒竖直固定到基准平面上，作为位移参考点；聚合物片式封装光纤光栅与斜面钢棒均处于竖直状态，顶珠与斜面钢棒斜面相切，顶珠随着建筑设备的上下移动受到斜面钢棒水平方向的压力，通过套筒内滑块将顶珠上的力作用在悬臂梁上，使贴在悬臂梁上的聚合物片式封装光纤光栅发生应变。

2.根据权利要求1所述基于变电站沉降测量的光纤光栅传感器，其特征在于，所述聚合物片式封装光纤光栅的结构包括光纤布拉格光栅、复合材料、保护管和传输光缆，光纤布拉格光栅竖直封装在碳纤维复合材料中，光纤布拉格光栅一端与传输光缆连接，连接处有保护管，保护管使光栅在固化时免受封装材料边缘应力集中的影响。